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      基于CPLD的三相工頻可控恒流源設(shè)計(jì)

      2016-09-20 10:02:50陳聰偉劉傳洋肖金球
      關(guān)鍵詞:功率放大恒流源量程

      陳聰偉,華 猛,劉傳洋,肖金球

      (蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009)

      基于CPLD的三相工頻可控恒流源設(shè)計(jì)

      陳聰偉,華猛,劉傳洋,肖金球*

      (蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009)

      為了彌補(bǔ)市場(chǎng)現(xiàn)有恒流源輸出精度低、范圍小等缺陷,設(shè)計(jì)了基于CPLD的三相工頻可控恒流源。運(yùn)用多量程切換思想,以CPLD為主控器,運(yùn)用功率放大電路及HOWLAND轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)恒流源的精確可控輸出。測(cè)試結(jié)果表明,該恒流源輸出精度高、功率大、輸出范圍廣且線性可調(diào),具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

      CPLD;多量程切換;工頻;恒流源

      工頻恒流源[1]作為穩(wěn)定電源的分支,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力測(cè)試儀表及校驗(yàn)裝置中[2-4]?,F(xiàn)行市場(chǎng)上的恒流源多為DDS合成[5-6],使用截止頻率穩(wěn)定電路和浮動(dòng)負(fù)載電流源電路實(shí)現(xiàn),其存在輸出精度低、輸出范圍小及功率低[7-9]等缺點(diǎn),難以滿足工業(yè)要求。

      筆者在分析傳統(tǒng)恒流源技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了以RC振蕩電路作為信號(hào)源,CPLD(Complex Programmable Logic Device)為主控單元,運(yùn)用功率放大電路及HOWLAND轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)恒流源的精確可控輸出。與市場(chǎng)上的恒流源相比,該設(shè)計(jì)成本低廉,且單相輸出電流功率高達(dá)50 W,穩(wěn)定性好、精度高,可以很好地滿足電力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試及生產(chǎn)要求。

      1 電路方案

      基于CPLD的三相工頻可控恒流源的總體方案如圖1所示。主要由控制模塊、顯示模塊、正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊、可控放大模塊、移相模塊及V-I和功率放大模塊構(gòu)成。信號(hào)源采用文氏振蕩,產(chǎn)生50 Hz穩(wěn)定的正弦波信號(hào)。信號(hào)源產(chǎn)生的正弦波輸送到可控放大模塊上進(jìn)行放大,經(jīng)過(guò)移相處理后,最終在電壓/電流轉(zhuǎn)換及功率放大模塊中實(shí)現(xiàn)三相的V-I轉(zhuǎn)換和大功率輸出。

      設(shè)計(jì)采用CPLD作為MCU,運(yùn)用多量程切換、粗細(xì)結(jié)合的思想,實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度的恒流輸出。V-I模塊的限流電阻切換實(shí)現(xiàn)粗調(diào),可控放大模塊實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào),粗、細(xì)結(jié)合控制,便于實(shí)際操作,提高輸出精度。

      圖1 三相工頻恒流源設(shè)計(jì)框圖

      2 硬件電路

      2.1CPLD控制模塊

      CPLD即可編程邏輯器件,其集成度高、編程靈活、使用方便且成本低,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子、儀表儀器、航天測(cè)控、數(shù)控機(jī)床等方面。用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu),完成一定的功能,也可以通過(guò)分析時(shí)序邏輯,然后編程設(shè)計(jì),控制外圍電路。CPLD采用并行計(jì)算,且時(shí)序延遲可預(yù)測(cè),能夠有效的提高控制精確度,避免出現(xiàn)時(shí)序混亂。

      設(shè)計(jì)中Altera公司推出的MAXII系列EPM1270T144C5芯片作為核心控制模塊,硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)JTAG口將程序下載到EPM1270T144C5中,直接控制芯片的內(nèi)部邏輯單元和I/O口,進(jìn)而達(dá)到對(duì)整個(gè)三相工頻恒流源的控制。外圍的按鍵模塊和LCD顯示模塊是以人機(jī)交互為目的,便于操作控制。

      2.2可控放大電路

      放大模塊采用DS1267-010可控?cái)?shù)字電位器,其精確度高、控制簡(jiǎn)易。設(shè)計(jì)中DS1267作為反饋電阻,利用CPLD編程控制DS1267-010的阻值變化,實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整,電路如圖3所示。

      R1為數(shù)字電位器DS1267的輸出阻值。當(dāng)需要改變恒流源的輸出值時(shí),只需編程調(diào)整R1的阻值,即可精確控制輸出大小,由(1)式可知,輸入恒定時(shí),數(shù)字電位器R1與輸出電壓成正比,即可達(dá)到線性控制輸出的目的。

      2.3V-I轉(zhuǎn)換和功率放大電路

      HOWLAND電路[9-10]內(nèi)具有反饋功能,能夠維持恒流輸出。設(shè)計(jì)中對(duì)該電路進(jìn)一步研究和改進(jìn),用電壓跟隨電路替代反饋電路,不僅使輸出的電流盡可能流到負(fù)載上,同時(shí)提高了輸出質(zhì)量,使其電路更穩(wěn)定,有效的實(shí)現(xiàn)了V-I的轉(zhuǎn)換。HOWLAND改進(jìn)電路如圖4所示。

      電路中的輸入U(xiǎn)in和輸出Iout的關(guān)系式推導(dǎo)[11]

      圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

      圖3 DS1267可控放大電路

      圖4 HOWLAND改進(jìn)電路圖

      取R1=R2=R3=R4,因?yàn)閁2是個(gè)跟隨電路,則得:u2=up2。

      根據(jù)疊加原理可得

      由虛短、虛斷可知un1=up1。即

      由式(4)可知,U1輸出

      式(3)和式(5)聯(lián)立可得:u01=up2+ui。

      代入式(2)得

      由(6)式可知,當(dāng)R0固定不變時(shí),輸出電流Iout和Uin是線性相關(guān)。即恒流輸出與負(fù)載阻抗大小無(wú)關(guān),輸出信號(hào)Iout只隨輸入信號(hào)Uin變化。

      HOWLAND改進(jìn)電路的實(shí)際輸出電流和功率較小,為此在OPA445 U0的輸出引腳增加推挽式的功率放大模塊,電路如圖5所示。功率放大模塊選用IRF630和IRF9630功放場(chǎng)效應(yīng)管。源極漏極相連,形成推挽式功率放大輸出,以實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

      圖5中,當(dāng)電路輸入端Uin變化時(shí),兩源極的電位也會(huì)隨著Uin輸入改變。當(dāng)輸入的電壓信號(hào)為正時(shí),IRF630工作在放大區(qū),進(jìn)行功率放大,隨Uin增大,輸出的電流Iout也增大,此時(shí),IRF9630處于截止?fàn)顟B(tài),對(duì)輸出無(wú)影響。同理可知,當(dāng)輸入信號(hào)Uin為負(fù)時(shí),IRF9630工作在放大區(qū),IRF630處于截止?fàn)顟B(tài)。兩個(gè)MOSFET進(jìn)行互補(bǔ)工作,實(shí)現(xiàn)推挽放大。

      2.4多量程切換電路

      電流輸出Iout范圍為0~2 000 mA,運(yùn)用多量程切換思想,對(duì)其進(jìn)行分段處理即2-20 mA、20-200 mA、200-2 000 mA,運(yùn)用三個(gè)繼電器進(jìn)行量程切換,多量程切換電路如圖6所示。按鍵設(shè)置不同量程,切換不同限流電阻,設(shè)置200-2 000 mA范圍時(shí),R01工作,R02與R03不工作;20-200 mA范圍時(shí),R02工作;2-20 mA范圍時(shí),R03工作。

      圖5 HOWLAND和功率放大電路圖 

      圖6 多量程切換電路

      3 軟件設(shè)計(jì)

      3.1軟件開(kāi)發(fā)流程

      該設(shè)計(jì)使用的芯片是EPM1270T144C5,需要Altera推出的Quartus II作為開(kāi)發(fā)工具。Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,控制準(zhǔn)確。開(kāi)發(fā)流程如下:(1)分析確定方案。首先分析所需功能要求,確定編程方案。(2)設(shè)計(jì)編程。根據(jù)分析的結(jié)果和方案,設(shè)計(jì)編程流程,進(jìn)行硬件語(yǔ)言描述編程。(3)功能仿真。根據(jù)編寫(xiě)的程序進(jìn)行功能仿真,驗(yàn)證是否能實(shí)現(xiàn)所需功能。(4)時(shí)序仿真。驗(yàn)證設(shè)計(jì)項(xiàng)目的邏輯功能和時(shí)序關(guān)系是否正確。(5)軟硬件調(diào)試。通過(guò)JTAG等方式將程序下載到芯片內(nèi)進(jìn)行軟硬件調(diào)試。(6)下載固化。在軟硬件聯(lián)調(diào)成功,設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)后,即可將程序固化到芯片。

      3.2控制模塊軟件設(shè)計(jì)

      三相工頻可控恒流源控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)模塊:鍵盤檢測(cè)、DS1267控制、量程切換電路及顯示。根據(jù)各模塊之間的關(guān)聯(lián)及任務(wù)時(shí)序優(yōu)先級(jí),其控制流程如圖7所示。

      圖7 控制流程圖

      4 測(cè)試結(jié)果

      4.1相同負(fù)載測(cè)試

      選用特定大功率同阻值電阻作為負(fù)載,通過(guò)按鍵預(yù)置不同電流值觀測(cè)各相輸出電流的大小,并對(duì)其進(jìn)行誤差分析。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。IA、IB、IC分別是三相恒流源的各相輸出測(cè)量值。

      表1 同負(fù)載下的三相恒流值測(cè)量

      由表1數(shù)據(jù)可知,設(shè)計(jì)的可控恒流源在相同負(fù)載的情況下,對(duì)于0-2 000 mA不同預(yù)置電流,其各相輸出穩(wěn)定,隨著預(yù)置電流的增大,輸出誤差逐漸減小,且保持<1%,能很好地滿足工業(yè)測(cè)試中對(duì)恒流源精度的要求。

      同負(fù)載測(cè)試下,筆者對(duì)預(yù)置電流為34 mA,負(fù)載為10.2 Ω時(shí)的IA、IB兩相輸出波形進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖8所示,可以清晰的觀察到IA、IB輸出的波形相位差為120°,且波形失真度小。

      圖8 預(yù)置3 mA的IA、IB兩相輸出波形

      4.2不同負(fù)載測(cè)試

      分別選取5.1 Ω和10.2 Ω作為負(fù)載電阻進(jìn)行測(cè)試,在0~2 000 mA內(nèi)預(yù)置相同的電流,對(duì)比觀察不同負(fù)載電阻時(shí)的各相輸出情況,并記錄分析。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

      表2 兩種負(fù)載下的恒流值測(cè)量對(duì)比

      由表2數(shù)據(jù)可知,不同負(fù)載情況下,各相輸出電流恒定,誤差較小,不隨負(fù)載的大小改變。

      綜上表1、表2可見(jiàn),恒流源輸出結(jié)果仍存在較小誤差(在誤差允許范圍內(nèi)),其主要原因來(lái)自取樣電阻本身誤差,功率運(yùn)算放大器的非線性誤差及工頻噪聲等,在下階段研究中,對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn),將誤差最小化。

      5 結(jié)語(yǔ)

      該設(shè)計(jì)以CPLD作為核心控制器,結(jié)合可控放大、V-I轉(zhuǎn)換、功率放大等電路,實(shí)現(xiàn)了輸出電流連續(xù)線性可調(diào)。該三相可控恒流源具有精度高、穩(wěn)定性好、功率大和輸出范圍寬等特點(diǎn),可應(yīng)用于我國(guó)50 Hz三相電力系統(tǒng)測(cè)試開(kāi)發(fā)中,具有較好的應(yīng)用前景。

      [1]方志成.介紹一種交流恒電流源電路[J].電子技術(shù),1982(1):39-40.

      [2]楊云飛,謝啟,顧啟民,等.基于LabVIEW的高精度電流源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電器與能效管理技術(shù),2010(8):50-53.

      [3]李匡成,陳濤,王治國(guó).基于LabVlEW的鉛酸蓄電池阻抗參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)研究[J].電源技術(shù),2009,33(11):1014-1016.

      [4]劉秋軍,陳龍嬌,趙繼敏,等.基于恒頻交流電流法的微電阻精密測(cè)量系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(2):64-66.

      [5]黃怡然,李娜.基于DDS技術(shù)的交流恒流源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2011,35(8):974-975.

      [6]劉修文,張昌華,孟勁松.數(shù)控低中頻交流電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2013(1):87-90.

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      [8]易藝,郝建衛(wèi),李長(zhǎng)俊.基于XMEGA的交流電流源的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與應(yīng)用,2015(2):139-141.

      [9]張?bào)K,湯元會(huì).基于PI調(diào)節(jié)的高穩(wěn)定度交流信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].紡織高校基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào),2014,27(2):267-270.

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      [11]郭玉,趙順平.一種交流恒流源電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2008,45(12):46-47.

      責(zé)任編輯:艾淑艷

      Design of three-phase frequency controlled constant current source based on CPLD

      CHEN Congwei,HUA Meng,LIU Chuanyang,XIAO Jinqiu
      (School of Electronic&Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China)

      In order to cover the shortage that constant current source in present markets is of low output accuracy and small output range,this paper presents a three-phase frequency controlled constant current source based on CPLD.Using CPLD as master controller,the design combined the idea of multi-range switching with power amplifier module and HOWLAND switching module to ensure the accurate current output.Experimental tests show that the three-phase frequency controlled constant current source has practical advantages,such as high precision,high power and wide range of output,linear adjustment and a promising prospect.

      CPLD;multi-range switching;controllableity;constant current source

      TP368.1

      A

      1672-0687(2016)03-0054-05

      2016-03-01

      住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2014-K8-050);蘇州科技學(xué)院?;痦?xiàng)目(XKZ201507)

      陳聰偉(1990-),男,江蘇南通人,碩士研究生,研究方向:智能測(cè)控技術(shù)。*通信聯(lián)系人:肖金球(1963-),男,教授,碩士,碩士生導(dǎo)師,E-mail:xjq@mail.usts.edu.cn。

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